DE10304143A1

DE10304143A1 - Ventil zum Steuern eines Fluids

Info

Publication number: DE10304143A1
Application number: DE10304143A
Authority: DE
Inventors: Frank Miller; Franz Thoemmes; Kai Kroeger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-02-03
Filing date: 2003-02-03
Publication date: 2004-08-05

Abstract

Es wird ein Ventil zum Steuern eines Fluids, insbesondere zum Steuern eines Gases, vorgeschlagen, umfassend ein Ventilgehäuse (13), eine insbesondere elektromagnetische Betätigungseinheit (14) für einen mit radialen Abströmbohrungen (27) versehenen Ventilanker (41), der axial verschiebbar in einer Führungshülse (15) geführt ist und mittels dessen ein Fluidstrom zwischen einer Zuströmseite (11) und einer Abströmseite (12) steuerbar ist. Der Ventilanker (20) umfaßt ein zumindest bereichsweise rohrförmiges, mit einem Ventilsitz (25) zusammenwirkendes Ventilschließglied (41), an dem die Abströmbohrungen (27) ausgebildet sind und das mit mindestens einem von mindestens zwei Führungsbünden (43, 44) des Ventilankers (41) versehen ist, das in einem zwischen den radialen Abströmbohrungen (27) und der Betätigungseinheit (14) liegenden Bereich des Ventilschließglieds (41) angeordnet ist (Figur 2).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Ventil zum Steuern eines Fluids, insbesondere zum Steuern eines Gases, gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art aus.

Ein derartiges Ventil ist aus der Praxis bekannt und beispielsweise bei einer Otto-Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges als Benzineinspritzventil einsetzbar, das in einen Kraftstoffzuteiler integriert ist.

Das bekannte Ventil umfaßt ein Ventilgehäuse, in dem eine elektromagnetische Betätigungseinheit für einen Magnetanker angeordnet ist, sowie eine Führungshülse, welche ein Tiefziehteil darstellt und in welcher der Magnetanker axial verschiebbar geführt ist. Die Führungshülse kann hinsicht lich ihres Durchmessers gestuft ausgebildet sein. Mittels des Magnetankers, an dem ein mit einem Ventilsitz zusammenwirkendes Ventilschließglied ausgebildet ist, ist ein Fluidstrom zwischen einer Zuströmseite und einer Abströmseite des Ventils steuerbar.

Der Magnetanker des Ventils ist über einen Führungsbund in der Führungshülse geführt. Daraus resultiert das Problem, daß der Magnetanker bei Betätigung verkippen kann. Dies kann zu Undichtigkeiten im Bereich des Ventils oder zu einem Verklemmen des Magnetankers in der Führungshülse und mithin zu einer Beeinträchtigung der Funktion des Ventils bzw. zu einem vorzeitigen Ausfall des Ventils führen.

Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern eines Fluids, insbesondere zum Steuern eines Gases, mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei welchem Ventil der Ventilanker ein zumindest bereichsweise rohrförmiges Ventilschließglied umfaßt, an dem die Abströmbohrungen ausgebildet sind und das mit mindestens einem von mindestens zwei Führungsbünden des Ventilankers versehen ist, das an einem zwischen den radialen Abströmbohrungen und der Betätigungseinheit liegenden Bereich des Ventilschließglieds angeordnet ist, hat den Vorteil, daß das Risiko eines Verkippens des Ventilankers in der Führungshülse minimiert ist.

Hiermit kann das Ventil nach der Erfindung auch als Gasventil mit einer gesicherten Funktionalität eingesetzt werden.

Der Ventilanker bzw. Magnetanker des erfindungsgemäßen Ventils wirkt vorzugsweise mit einem als Flachsitz ausgebildeten Ventilsitz zusammen, welcher beim Einsatz zur Steuerung eines trockenen Erdgases gegenüber einem herkömmlichen Kugel- bzw. Kegelsitz Vorteile hinsichtlich großer Querschnitte bei geringer pneumatischer Kraft, sowie hinsichtlich Dichtheit, Dauerlaufstabilität, Verschleiß und Geräuschentwicklung bietet. Ein derartig ausgelegtes Ventil ist insbesondere bei einer Brennstoffzelle oder einem Gasmotor zur Steuerung eines Gasstroms einsetzbar.

Bei einer speziellen Ausführungsform des Ventils nach der Erfindung ist die Führungshülse gestuft ausgebildet. Die Führungsbünden sind in diesem Fall hinsichtlich ihrer Durchmesser an die Stufung der Führungshülse bzw. deren unterschiedliche Innendurchmesser angepaßt.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Ventils nach der Erfindung ist das Ventilschließglied an einer fest in der Führungshülse verankerten Vorspannfeder befestigt. Das Ventilschließglied bildet in diesem Falle vorzugsweise den gesamten Ventilanker, an dem im Fall einer gestuften Führungshülse die beiden Führungsbünden vorzugsweise mit unterschiedlichen Durchmessern ausgebildet sind. beispielsweise ist ein Führungsbund oberhalb der Abströmbohrungen des Ventilschließglieds angeordnet und an einem Bereich vergrößerten Innendurchmessers der Führungshülse geführt. Der andere Führungsbund wirkt mit einem Bereich verringer ten Innendurchmessers der Führungshülse zusammen und ist beispielsweise ebenfalls oberhalb der Abströmbohrungen angeordnet. Das Ventilschließglied mit den beiden Führungsbünden kann in diesem Falle komplett aus einem weichmagnetischen Material gefertigt sein.

Zur weiteren Optimierung der Führung des Ventilschließglieds kann dieses von einer schiefstandsoptimierten Feder umgriffen sein, d. h. von einer Feder, die an ihren beiden Stirnseiten eine maximale Auflage- bzw. Anlagefläche für die mit der Feder in Verbindung stehenden Bauteile bietet.

Bei einer alternativen Ausführungsform des Ventils nach der Erfindung kann der Ventilanker zweiteilig gefertigt sein und einen rohrförmigen Haltebereich sowie das Ventilschließglied umfassen. Das Ventilschließglied ist dann zweckmäßig mit seinem dem Ventilsitz abgewandten Ende in den Innenraum des rohrförmigen Haltebereichs eingepreßt.

Die mindestens zwei Führungsbünde des Ventilankers können bei dieser Ausführungsform so ausgebildet sein, daß einer als ringförmiger, radial ausgerichteter Bund an dem Ventilschließglied und der andere entweder am Umfang des rohrförmigen Haltebereichs oder ebenfalls als ringförmiger, radial ausgericheter Bund an dem Ventilschließglied ausgebildet ist. Bei einer Stufung der Führungshülse können die beiden Führungsmittel unterschiedliche Durchmesser haben, die mit der Stufung der Führungshülse korrespondieren.

Bei der zweiteiligen Ausführung des in der Führungshülse geführten Ventilankers ist der rohrförmige Haltebereich zweckmäßig aus einem weichmagnetischen Material gefertigt. Das Ventilschließglied kann dann aus einem verschleißoptimierten Material, beispielsweise aus einem Metall oder auch einem geeigneten Kunststoff, bestehen.

An der freien Stirnseite des Ventilschließglieds kann ein mit dem Ventilsitz zusammenwirkender Kunststoff aufgebracht sein. Dieser beispielsweise aus einem Elastomer gebildete Kunststoff dient zur Abdichtung und auch zur Geräuschreduzierung und kann ringförmig oder auch flächig ausgebildet sein. Der Kunststoff kann auf die dem Ventilsitz zugewandte Stirnseite des Ventilschließglieds aufgespritzt oder aufgeklebt sein.

Ferner kann die dem Ventilsitz zugewandte Stirnseite des Ventilschließglieds mit einem Stützring versehen oder derart bearbeitet sein, daß nur eine einen Hohlraum umschließende Ringfläche der Stirnseite auf dem Ventilsitz aufliegt.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Vier Ausführungsbeispiele des Ventils nach der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils mit einem zweiteiligen Ventilanker;
2 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils mit einem einteiligen Ventilanker;
3 den Ventilanker des Ventils nach 2 in einer vergrößerten Darstellung;
4 einen Schnitt durch einen Ventilanker bei einer ungestuften Führungshülse, und
5 einen Schnitt durch einen Ventilanker bei einer gestuften Führungshülse.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist ein Gasventil 10 dargestellt, das zum Einsatz bei einer Brennstoffzelle oder bei einem Gasmotor ausgelegt ist und zur Regelung eines Wasserstoffstroms bzw. eines CNG(Compressed Natural Gas)-Stroms von einer Zuströmseite 11 zu einer Abströmseite 12 dient.
Das Gasventil 10 umfaß ein mehrteiliges Gehäuse 13, in welchem eine Magnetspule 14 angeordnet ist, die eine tiefgezogene Führungshülse 15 umgreift. Die tiefgezogene Führungshülse 15 ist im vorliegenden Fall gestuft ausgebildet und umfaßt einen Bereich 16 vergrößerten Innendurchmessers und einen Bereich 17 verringerten Innendurchmessers.
In der Führungshülse 15 ist ein im wesentlichen rohrförmiger Stopfen 18 fixiert, der zur Befestigung einer als Vor spannfeder wirkenden Spiralfeder 19 dient, an dessen Stirnseite ein Ventilanker 20 befestigt ist. Der Ventilanker 20 ist zweiteilig aufgebaut, und zwar aus einem rohrförmigen Haltebereich 21, der mit der Spiralfeder 19 verbunden ist und aus einem weichmagnetischen Material besteht, und einem Ventilschließglied 22 aus verschleißfestem Kunststoff, das ebenfalls rohrförmig ausgebildet ist und in den Haltebereich 21 eingepreßt ist.
An der dem Haltebereich 21 abgewandten Stirnseite ist das Ventilschließglied 22 geschlossen ausgebildet und mit einem Elastomerdichtring 23 versehen, der mit einem an einer Ventilplatte 24 ausgebildeten Ventilsitz 25 zusammenwirkt und so einen Gasstrom durch einen Abströmkanal 26 der Ventilplatte 23 zu der Abströmseite 12 steuert.
Das Ventilschließglied 22 besteht aus Kunststoff und hat radiale Abströmbohrungen 27, die den Innenraum des Ventilschließglieds 22 mit einem radial von der Führungshülse 15 begrenzten Hochdruckraum 28 verbinden.
Der Ventilanker 20 ist über einen als erstes Führungsmittel ausgebildeten Führungsbund 29, der am Umfang des rohrförmigen Haltebereichs 21 ausgebildet ist, und über einen als zweites Führungsmittel dienenden Ringbund 30 des Ventilschließglieds 22 in der Führungshülse 15 geführt. Der Führungsbund 29 wirkt mit dem Bereich 16 vergrößerten Innendurchmessers zusammen, während der Ring- bzw. Führungsbund 30 mit dem Bereich 17 verringerten Innendurchmessers der Führungshülse 15 zusammenwirkt. Die beiden Führungsbünden 29 und 30 sind stromauf bzw. oberhalb der Abströmbohrungen 27 angeordnet.
Stromauf der Abströmbohrungen 27 ist an dem Ventilschließglied 22 ein zweiter Ringbund 3 ausgebildet, der im vorliegenden Fall als Einpreßanschlag für den Haltebereich 21 des Ventilankers 20 dient und keine Führungsfunktion hat.
In 2 ist eine alternative Ausführungsform eines Ventils 40 zur Regelung eines Gasstroms bei einer Brennstoffzelle oder einem Gasmotor dargestellt. Das Ventil 40 entspricht im wesentlichen dem Ventil nach 1, unterscheidet sich von diesem aber dadurch, daß es einen einteiligen Ventilanker 41 umfaßt, der ein Ventilschließglied bildet und komplett aus einem weichmagnetischen Material gefertigt ist.
Das Ventilschließglied 41 liegt an der Stirnseite einer als Vorspannfeder dienenden Spiralfeder 19 an, die in einen Stopfen 18 eingreift, der in der abgestuften Führungshülse 15 fixiert ist.
Des weiteren ist das Ventilschließglied 41 von einer schiefstandsoptimierten Feder 42 umgriffen, die mit der Spiralfeder 19 verbunden ist.
Das Ventilschließglied 41, das in 3 näher dargestellt ist, umfaßt einen ersten Führungsbund 43, der zur Führung des Ventilschließglieds 41 mit dem Bereich 16 vergrößerten Innendurchmessers der Führungshülse 15 zusammenwirkt, und einen zweiten Führungsbund 44, der ebenfalls zur Führung des Ventilschließglieds 41 mit dem Bereich 17 verringerten Innendurchmessers der Führungsbuchse 15 zusammenwirkt. Beide Führungsbünde 43 und 44 sind oberhalb bzw. stromauf der Abströmbohrungen 27 angeordnet.
Stirnseitig ist das Ventilschließglied 41 mit einem Dichtelastomer 23 versehen. Im übrigen entspricht der Aufbau des Ventilschließglieds 41 demjenigen des Ventilschließglieds des Ventils nach 1, d. h. es ist rohrförmig aufgebaut, an der dem Ventilsitz 25 zugewandten Stirnseite geschlossen und mit Abströmbohrungen 27 versehen.
In 5 ist eine weitere Ausführungsform eines Ventils 50 zur Regelung eines Gasstroms bei einer Brennstoffzelle oder einem Gasmotor ausschnittsweise dargestellt. Das Ventil 50 entspricht im wesentlichen dem Ventil nach 1, unterscheidet sich von diesem aber dadurch, daß es eine gerade, also nicht gestufte Führungshülse 51 aufweist, in der ein Ventilanker 52 axial verschiebbar geführt ist, der als im wesentlichen rohrförmiges, mit einem hier nicht näher dargestellten Ventilsitz zusammenwirkendes Ventilschließglied ausgebildet ist.
Das Ventilschließglied 52 umfaßt radiale Abströmbohrungen 27 sowie eine axiale Abströmbohrung 53, die an der freien Stirnseite des Ventilschließglieds 52 ausgebildet ist. Die Abströmbohrungen 27 und 53 zweigen von einem Innenraum 54 des Ventilschließglieds 52 ab.
Stirnseitig ist das Ventilschließglied 52 mit einer lochscheibenartigen Elastomerdichtung 55 versehen, die aufge spritzt ist. Die Elastomerdichtung 55 dichtet im geschlossenen Zustand des Ventilschließglieds 52 einen äußeren Hochdruckraum 56 und einen inneren Hochdruckraum 57 gegenüber hier nicht näher dargestellten Abströmdüsen ab, die zur Abströmseite des Ventils führen.
Oberhalb bzw. stromauf der radialen Abströmbohrungen 27 sind am Umfang des Ventilschließglieds 52 zwei axial gegeneinander versetzte Führungsbünde 58 und 59 ausgebildet, die die Gefahr eines Verkippens des Ventilschließglieds 52 minimieren.
Der Durchmesser des Führungsbunds 58 entspricht dem Durchmesser des Führungsbunds 59.
In 6 ist eine weitere Ausführungsform eines Ventils 60 zur Regelung eines Gasstroms bei einer Brennstoffzelle oder einem Gasmotor ausschnittsweise dargestellt. Das Ventil 60 entspricht im wesentlichen dem Ventil nach 5, unterscheidet sich von diesem aber dadurch, daß es eine gestufte Führungshülse 15 aufweist, in der ein Ventilschließglied 61 geführt ist, das zwei Führungsbünde 62 und 63 aufweist, die stromauf bzw. oberhalb der radialen Abströmbohrungen angeordnet sind.
Die beiden Führungsbünde 62 und 63 unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Durchmesser, und zwar derart, daß der Führungsbund 62 an einem Bereich verringerten Innendurchmessers der Führungshülse 15 und der Führungsbund 63 an einem Bereich vergrößerten Innendurchmessers der Führungshülse 15 geführt ist. Die Führungsbünde 62 und 63 sind jeweils mit einem Verschleißschutzmittel beschichtet. Im übrigen entspricht das Ventil 60 demjenigen nach 5.

Claims

Ventil zum Steuern eines Fluids, insbesondere zum Steuern eines Gases, umfassend ein Ventilgehäuse (13), eine insbesondere elektromagnetische Betätigungseinheit (14) für einen mit radialen Abströmbohrungen (27) versehenen Ventilanker (20; 41; 52; 61), der axial verschiebbar in einer Führungshülse (15; 51) geführt ist und mittels dessen ein Fluidstrom zwischen einer Zuströmseite (11) und einer Abströmseite (12) steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilanker (20; 41; 52; 61) ein zumindest bereichsweise rohrförmiges, mit einem Ventilsitz (25) zusammenwirkendes Ventilschließglied (22; 41; 52; 61) umfaßt, an dem die Abströmbohrungen (27) ausgebildet sind und das mit mindestens einem von mindestens zwei Führungsbünden (29, 30; 43, 44; 58, 59; 62, 63) des Ventilankers (20; 41; 52; 61) versehen ist, das in einem zwischen den radialen Abströmbohrungen (27) und der Betätigungseinheit (14) liegenden Bereich des Ventilschließglieds (22; 41; 52; 61) angeordnet ist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungshülse (15) gestuft ausgebildet ist und die Führungsbünde (29, 30; 43, 44; 62, 63) hinsichtlich ihrer Durchmesser an die Stufung der Führungshülse (15) angepaßt sind.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilschließglied (41; 52; 61) aus einem Rohrbereich mit mindestens zwei als Führungsmittel dienenden Führungsbünden (43, 44; 58, 59; 62, 63) besteht und an einer fest in der Führungshülse (15) verankerten Vorspannfeder (19) anliegt.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilschließglied (41) von einer schiefstandsoptimierten Feder (42) umgriffen ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilanker (20) zweiteilig gefertigt ist und einen rohrförmigen Haltebereich (21) und das Ventilschließglied (22) umfaßt.
Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilschließglied (22) in den Haltebereich (21) eingepreßt.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilanker (41; 52; 61) komplett aus einem weichmagnetischen Material gefertigt ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilschließglied (22; 41; 52; 61) stirnseitig eine Elastomerdichtung (45; 55) aufweist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsbünde (29, 30; 43, 44; 58, 59; 62, 63) beschichtet sind.